CN112100932A - 一种工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于工业管道设计技术领域，具体提供了一种工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法及系统，包括：S1：获取拟研究管道的工艺设计文件及信息；S2：根据所述工艺设计文件及所述信息进行三维建模，构建问题管道的三维模型；S3：根据所述三维模型对出现振动和/或堵塞问题的局部管道进行三维流场数值模拟优化，最后获得符合管道流场优化指标的管道整体优化结构。该方案利用CFD仿真技术分析工业管道振动、堵塞问题，可充分考虑管道内气流流动对管道运行的影响，并对出现了问题或对易出现问题的工业管道进行优化设计，为更好地解决工业管道运行问题提供解决方案和解决思路。
Description
技术领域
本发明属于工业管道设计技术领域，具体涉及一种工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法及系统。
背景技术
管道系统对于废气环保项目的可靠稳定运行有着十分重要的作用。输送物质的管道就是给整个系统供给养分的血管，运行良好的管道可以有效提高整个厂区的生产效率。然而在工程实际运行过程中，经常会碰到管道出现振动、堵塞、阻力偏大、偏流真空等问题，严重时甚至导致整个系统停机。
随着项目规模的不断扩大，对烟风水汽管道的设计要求逐步提高，而在工程项目运行过程中暴露出的烟风管道振动、管道堵塞等现象对整个项目的安全运行影响尤为明显，严重时导致整个系统停机，并带来巨大经济损失。
管道的加固、支吊架和内撑的布置是管道安全运行的主要依据。在工程实践中，除了管道自身条件外，管道内气流流动是影响管道运行性能的关键因素。理想的气流分布不但可以提高管道安全性能，而且可以减少管道内因低速积灰堵塞或高速气流冲击管壁，从而延长管道的使用寿命，降低事故风险。
目前解决管道系统问题的方案更偏经验，改造后实施的效果不具备可预见性，且改造效果不一定能最优，甚至可能做无用功，对时间成本和投资成本造成较大的浪费。
仿真作为一种解决工程问题的有效手段，可以贴近实际对管道系统进行虚拟研究。为了更好地解决废气环保运行管道问题，可以对其进行仿真研究，从实际情况出发，解决现实中发生的问题，不仅节约时间和投资，更能保证管道系统的稳定运行；
目前已有学者开始利用CFD仿真手段对管道进行模拟计算来分析管道振动及粉尘堵塞等问题，但许多研究多是从学术角度展开单方面讨论，不能全方面分析分析，且较少有实际工程应用验证。总体而言，目前对管道运行问题的研究还处于初级阶段，诸多研究内容还未得到深入开发。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中工业管道振动、堵塞无法预见报警的问题。
为此，本发明提供了一种工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法，包括：
S1：获取拟研究管道的工艺设计文件及信息；
S2：根据所述工艺设计文件及所述信息进行三维建模，构建问题管道的三维模型；
S3：根据所述三维模型对出现振动和/或堵塞问题的局部管道进行三维流场数值模拟优化，最后获得符合管道流场优化指标的管道整体优化结构。
优选地，所述信息包括管道布置中各个管口的边界条件、初始流量和压力信息、内部导流结构、管口阀门的设置参数和开度信息、出现振动或堵塞问题的管道分布段信息。
优选地，根据所述三维模型对出现振动和/或堵塞问题的局部管道进行三维流场数值模拟优化具体包括：
S31：调整管路中各个管口的阀门开度；
S32：在管道振动严重的管段内增加导流结构；
S33：调整振动和堵塞管道部分的管结构；
S34：对管道内气流分布进行数值模拟；
S35：统计各个支路管道和母管内的流体流速；
S36：计算出现问题管段不同截面的烟气平均流速以及速度相对标准偏差，并计算偏差系数。
优选地，根据不同截面的烟气平均流速的偏差系数的数值大小判断流场的优化情况，若所述偏差系数未达到预设优化指标的标准偏差系数值，调整在管道振动严重的管段内增加的导流结构或支路阀门开度，返回执行S31～S36，直至所述出现振动管段不同截面的烟气速度标准偏差系数降至对应的优化指标，进而得到烟气截面压力和速度分布均匀性的气流均布装置结构。
优选地，所述步骤S31具体包括：在管口阀门点的管道流通截面上设置挡板，根据阀门开度计算流通面积，改变挡板的尺寸。
优选地，所述步骤S32具体包括：在管道的弯头处设置导流板，在分叉管道前端设置多孔板或折流板。
优选地，所述步骤S33具体包括：增加新的管路，将问题管段的方形弯头改成弧形弯头，减少管道分叉设置，缩短管长，将支管与母管的汇合连接改成斜接口，使得支管与母管内气流流动方向倾向于同一方向。
优选地，所述步骤S34具体包括：对管道三维模型进行网格划分，设置管道速度入口、压力出口边界条件，选择标准k-e湍流模型进行流场分布数值模拟。
优选地，所述速度相对标准偏差Cv是指烟风管道某一断面上各点流速的标准偏差所占该截面上速度平均值的百分量；
其中，其中，
式中，Cv为相对均方根差；Xi为测点速度，
为测点速度平均值；n为截面测点数。
本发明还提供了一种工业管道振动及堵塞问题的数值模拟系统，所述数值模拟系统用于如前任一项所述的数值模拟方法，具体地包括：
信息获取模块，用于获取拟研究管道的工艺设计文件及信息，所述信息包括：管道布置中各个管口的边界条件、初始流量和压力信息、内部导流结构、管口阀门的设置和开度信息、出现振动或堵塞问题的管道分布段信息；
管道三维模型构建模块，用于按照所述管道的工艺设计文件及所述信息，得到问题管道的三维几何模型；
流场模拟优化模块，用于对问题管道段的气流分布进行三维流场数值模拟优化，以得到达到管内流速分布均匀度优化指标的管道布置。
本发明的有益效果：本发明提供的这种工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法及系统，包括：S1：获取拟研究管道的工艺设计文件及信息；S2：根据所述工艺设计文件及所述信息进行三维建模，构建问题管道的三维模型；S3：根据所述三维模型对出现振动和/或堵塞问题的局部管道进行三维流场数值模拟优化，最后获得符合管道流场优化指标的管道整体优化结构。该方案利用CFD仿真技术分析工业管道振动、堵塞问题，可充分考虑管道内气流流动对管道运行的影响，并对出现了问题或对易出现问题的工业管道进行优化设计，为更好地解决工业管道运行问题提供解决方案和解决思路。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法及系统的脱硫脱硝烟道立体结构示意图；
图2是本发明工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法及系统的除尘管道的立体结构示意图；
图3是本发明工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法及系统的流程示意图；
图4是本发明工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法及系统的细化流程示意图；
图5是本发明工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法及系统的框架结构；
图6是本发明工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法及系统的数值模拟优化结构示意。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明实施例提供了一种工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法，如图3到5所示，包括：
S1：获取拟研究管道的工艺设计文件及信息；
S2：根据所述工艺设计文件及所述信息进行三维建模，构建问题管道的三维模型；
S3：根据所述三维模型对出现振动和/或堵塞问题的局部管道进行三维流场数值模拟优化，最后获得符合管道流场优化指标的管道整体优化结构。
具体地，获取拟研究管道的工艺设计文件及信息，所述信息包括：管道布置中各个管口的边界条件、初始流量和压力信息、内部导流结构、管口阀门的设置和开度信息、出现振动或堵塞问题的管道分布段信息。
根据所述工艺设计文件及所述信息进行三维建模，构建问题管道的三维模型。
根据所述三维模型对出现振动和堵塞问题的管道进行三维流场数值模拟优化，以获得流场达到管道流场优化指标的管道整体优化结构。
其中，管内流速分布均匀度优化指标是指出现振动或堵塞问题的管道段断面流速分布的速度相对标准偏差值小于15％。
相对标准偏差是指烟风管道某一断面上各点流速的标准偏差所占该截面上速度平均值的百分量，一般认为速度相对标准偏差小于25％时，气流速度分布为合格；小于20％为良好，小于15％为优秀，速度相对标准偏差用Cv表示。
其中，
式中，Cv为相对均方根差；Xi为测点速度，
为测点速度平均值；n为截面测点数。
其中，根据所述三维模型对出现振动和堵塞问题的管道进行三维流场数值模拟优化，以获得流场达到管道流场优化指标的管道整体优化结构。具体实现过程可以如图4所示，其包括以下步骤：
S331、调整管路中各个管口的阀门开度；
作为示例，在图2所示的示意图中，在支管布阀门的管道断面上设置挡板，根据阀门形式和开度调整挡板的结构和尺寸。
S332、在管道振动严重的管段内增加导流结构；
作为示例，在图1所示的示意图中，在三通烟道设置导流板，在母管烟道与弯头连接处设置折流板。
S333、调整振动和堵塞管道部分的管结构。
具体地，在图1所示的示意图中，在弯头烟道与水平母管烟道增加一段直管；在图2所示的示意图中，在支管与母管的汇合连接改成斜接口，支管内气流与母管气流流动方向为同一方向。对管道内气流分布进行数值模拟。在模拟的过程中，对三维流场气流分布进行述职模拟具体包括：对管道三维模型进行网格划分，设置管道速度或压力入口、压力出口边界条件，选择标准k-e湍流模型进行流场分布数值模拟。其中，管道速度或压力入口、压力出口边界条件为数值模拟过程中需要输入的参数。图1所示三维模型进行网格划分的网格数量为9万左右，在服务器上启用ANSYS FLUENT 15.0进行8线程计算，迭代1500次完成一次算例计算所需时间约20分钟，计算时间较短；
其中，作为示例，图2所示三维模型进行网格划分的网格数量为19万左右，在服务器上启用ANSYS FLUENT 15.0进行8线程计算，迭代2000次完成一次算例计算所需时间约40分钟，计算时间较短。
S335、统计各个支路管道和母管内的流体流速。在每一次算例计算完成后，分别统计各个支管烟道和母管烟道内烟气流速。需要说明的是，上述所述统计各个支管烟道和母管烟道内烟气流速，是指出现振动或堵塞的管道段前后断面的流速。
S336、计算出现振动或堵塞管段不同截面的烟气平均流速偏差和速度相对标准偏差，计算标准偏差系数。其中，作为示例示意图1所示模型烟气出口截面的烟气速度相对标准偏差Cv为25.1％。
其中，作为示例示意图2所示模型的各支管截面的平均流速大小不一，与整体平均值差距较大。需要说明的是，上述所述的平均流速偏差和相对标准偏差系数仅仅是评判烟气流场的均布性的两个参数，作为本发明实施例的扩展，也可以采用其他参数评判介质流场的均布性。
S337、根据截面烟气流速标准偏差系数的数值大小判断流场的优化情况，若偏差系数未达到预设优化指标的速度标准偏差15％。执行步骤S338或S339。
在烟风管道设计或优化时，会对介质流场的均布性进行评判，目前，国内对于浓度场和速度场分布均匀性的评判方法一般采用相对标准偏差法(标准偏差系数)，对于烟风管道，相对标准偏差系数是指烟风管道某一断面上各点流速的标准偏差所占该截面上速度平均值的百分量，一般认为速度相对标准偏差小于25％时，气流速度分布为合格；小于20％说明气流速度分布为良好，小于15％说明气流速度分布为为优秀。当计算得到问题烟道管段前后截面的烟气速度相对标准偏差小于15％时，判定烟道内烟气分布较均匀且达到对应的优化指标，此时可确定烟道内的导流结构。
当计算得到的烟道出口截面的烟气速度相对标准偏差大于15％时，就需要调整导流结构或管道结构，重新进行数值模拟优化，直至问题烟道管段前后截面的烟气速度相对标准偏差小于15％，才能确定烟道内的导流结构。
S338、调整振动和堵塞管道部分的管结构。具体的，在振动或堵塞严重管段增加新的支管，将问题管段的方形弯头改成弧形弯头，减少管道分叉设置，缩短管长，将支管与母管的汇合连接改成斜接口，使得支管与母管内气流流动方向倾向于同一方向，返回执行步骤S334，直至所述问题管段前后烟气速度相对标准偏差达到预设优化指标值，进而得到满足烟道内气流均布的烟道结构。
S339、调整烟道内的导流板的位置、导流板尺寸、导流板类型，返回执行步骤S334，直至所述烟道出口截面的烟气速度相对标准偏差小于预设优化指标值，进而得到满足烟道内气流均布的导流结构。
作为本发明的实施例的示例1，经过多次调整后，示意图6所示模型烟气出口截面210的烟气速度相对标准偏差为5.78％，小于对应的预设相对标准偏差10％。说明，烟气在出口之前的烟道内速度分布已经足够均匀，达到评判的优化指标，此时的导流结构可以作为流场优化结构。
S340、根据各支管截面的平均流速判断各个支管提供的烟气量，若各支管烟气流量偏差较大，执行步骤S331。
作为本发明的实施例的示例2，经过多次调整后，示意图2所示的各个支管提供的烟气流量均接近所有支管流量总和的平均值。说明，每条吸尘支管道均流出相近的烟气量，且母管内的烟气流速符合设计流速指标，此时的支管阀门开度可以作为实际除尘系统运行方案。
基于上述实施例提供的工业管道振动、堵塞问题的数值模拟方法，本发明实施例还提供了一种工业管道振动及堵塞问题的数值模拟系统，具体参考一下实施例。其中，数值模拟系统是用于前面实施例中的所有数值模拟方法。相同的部分在此不再赘述，具体可以参考前面所述的数值模拟方法。
其中，图1示出了该某钢厂的脱硫脱硝烟道的立体结构示意图。如图1所示两股烟气从主抽风机机房出口进入烟道，经过变径管道21、22和弯头26、27汇合于水平母管烟道28，冷风口吸入的空气混合降温流经弯头烟道25，最后汇集在弯道24内混合后从烟道出口23流出。图1中箭头的方向表示烟气在烟道内的主流动方向。
图5是本发明实施例提供的工业管道振动、堵塞问题的数值模拟系统模块示意图。如图5所示，该系统包括以下模块。信息获取模块，用于获取拟研究管道的工艺设计文件及信息，所述信息包括：管道布置中各个管口的边界条件、初始流量和压力信息、内部导流结构、管口阀门的设置和开度信息、出现振动或堵塞问题的管道分布段信息。管道三维模型构建模块，用于按照所述管道的工艺设计文件及所述信息，得到问题管道的三维几何模型。管道三维模型构建模块，用于按照所述管道的工艺设计文件及所述信息，得到问题管道的三维几何模型。流场模拟优化模块，用于对问题管道段的气流分布进行三维流场数值模拟优化，以得到达到管内流速分布均匀度优化指标的管道布置。
本发明的有益效果：本发明提供的这种工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法及系统，包括：S1：获取拟研究管道的工艺设计文件及信息；S2：根据所述工艺设计文件及所述信息进行三维建模，构建问题管道的三维模型；S3：根据所述三维模型对出现振动和/或堵塞问题的局部管道进行三维流场数值模拟优化，最后获得符合管道流场优化指标的管道整体优化结构。该方案利用CFD仿真技术分析工业管道振动、堵塞问题，可充分考虑管道内气流流动对管道运行的影响，并对出现了问题或对易出现问题的工业管道进行优化设计，为更好地解决工业管道运行问题提供解决方案和解决思路。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法，其特征在于，包括：
S1：获取拟研究管道的工艺设计文件及信息；
S2：根据所述工艺设计文件及所述信息进行三维建模，构建问题管道的三维模型；
S3：根据所述三维模型对出现振动和/或堵塞问题的局部管道进行三维流场数值模拟优化，最后获得符合管道流场优化指标的管道整体优化结构。
2.根据权利要求1所述的工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法，其特征在于：所述信息包括管道布置中各个管口的边界条件、初始流量和压力信息、内部导流结构、管口阀门的设置参数和开度信息、出现振动或堵塞问题的管道分布段信息。
3.根据权利要求1所述的工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法，其特征在于：根据所述三维模型对出现振动和/或堵塞问题的局部管道进行三维流场数值模拟优化具体包括：
S31：调整管路中各个管口的阀门开度；
S32：在管道振动严重的管段内增加导流结构；
S33：调整振动和堵塞管道部分的管结构；
S34：对管道内气流分布进行数值模拟；
S35：统计各个支路管道和母管内的流体流速；
S36：计算出现问题管段不同截面的烟气平均流速以及速度相对标准偏差，并计算偏差系数。
4.根据权利要求3所述的工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法，其特征在于：根据不同截面的烟气平均流速的偏差系数的数值大小判断流场的优化情况，若所述偏差系数未达到预设优化指标的标准偏差系数值，调整在管道振动严重的管段内增加的导流结构或支路阀门开度，返回执行S31～S36，直至所述出现振动管段不同截面的烟气速度标准偏差系数降至对应的优化指标，进而得到烟气截面压力和速度分布均匀性的气流均布装置结构。
5.根据权利要求3所述的工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S31具体包括：在管口阀门点的管道流通截面上设置挡板，根据阀门开度计算流通面积，改变挡板的尺寸。
6.根据权利要求3所述的工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S32具体包括：在管道的弯头处设置导流板，在分叉管道前端设置多孔板或折流板。
7.根据权利要求3所述的工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S33具体包括：增加新的管路，将问题管段的方形弯头改成弧形弯头，减少管道分叉设置，缩短管长，将支管与母管的汇合连接改成斜接口，使得支管与母管内气流流动方向倾向于同一方向。
8.根据权利要求3所述的工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S34具体包括：对管道三维模型进行网格划分，设置管道速度入口、压力出口边界条件，选择标准k-e湍流模型进行流场分布数值模拟。
9.根据权利要求3所述的工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法，其特征在于，所述速度相对标准偏差Cv是指烟风管道某一断面上各点流速的标准偏差所占该截面上速度平均值的百分量；
其中，其中，
式中，Cv为相对均方根差；Xi为测点速度，
为测点速度平均值；n为截面测点数。
10.一种工业管道振动及堵塞问题的数值模拟系统，其特征在于，所述数值模拟系统用于如权利要求1至9任一项所述的数值模拟方法，具体地包括：
信息获取模块，用于获取拟研究管道的工艺设计文件及信息，所述信息包括：管道布置中各个管口的边界条件、初始流量和压力信息、内部导流结构、管口阀门的设置和开度信息、出现振动或堵塞问题的管道分布段信息；
管道三维模型构建模块，用于按照所述管道的工艺设计文件及所述信息，得到问题管道的三维几何模型；
流场模拟优化模块，用于对问题管道段的气流分布进行三维流场数值模拟优化，以得到达到管内流速分布均匀度优化指标的管道布置。
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| CN202010811765.9A Pending CN112100932A (zh) | 2020-08-13 | 2020-08-13 | 一种工业管道振动及堵塞问题的数值模拟方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112100932A (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108197070A (zh) * | 2018-01-05 | 2018-06-22 | 重庆科技学院 | 天然气不完全堵塞管道数值模拟方法 |
| CN109063305A (zh) * | 2018-07-25 | 2018-12-21 | 中南大学 | 随机振动环境下输流直管道减振设计方法 |
| CN110848003A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-02-28 | 中国重汽集团济南动力有限公司 | 一种气助式scr尿素消耗量低故障模拟装置及方法 |
-
2020
- 2020-08-13 CN CN202010811765.9A patent/CN112100932A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108197070A (zh) * | 2018-01-05 | 2018-06-22 | 重庆科技学院 | 天然气不完全堵塞管道数值模拟方法 |
| CN109063305A (zh) * | 2018-07-25 | 2018-12-21 | 中南大学 | 随机振动环境下输流直管道减振设计方法 |
| CN110848003A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-02-28 | 中国重汽集团济南动力有限公司 | 一种气助式scr尿素消耗量低故障模拟装置及方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 段泉圣;黎星华;王周君;刘诗意;: "火电厂锅炉送风流量测量装置的数值研究", 电力科学与工程, no. 05 * |
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